Literature review of atmospheric contaminant transport offshore

Abstract

In this report, we consider the atmospheric dispersion of possibly harmful contaminants from offshore accidents by doing a literature review on the subject. The atmospheric dispersion is mainly governed by the wind, which exhibits chaotic behaviour due the interplay of large-scale circulation patterns and surface conditions. An operational model needs to be fast and easy to use. This can be achieved by avoiding to describe the wind conditions in detail. The so called Gaussian models are arguably the most well known examples of such simplified models. If the winds are steady and flow over relatively flat terrain, these models may give realistic estimates of the dispersion. However, if the wind is perturbed by buildings and topography, or if the contaminants are transported over long distances, such simple models are bound to fall short. In such cases, we need a model that can utilise wind input with a higher complexity, either in the form of turbulence resolving models or numerical weather prediction models. Wind flow over sea has traditionally been considered as simpler than wind flow over land surfaces, and ocean waves have been considered as mild roughness elements that lead to low turbulence levels. While it is true that offshore wind turbulence levels are low compared to onshore turbulence levels, research has shown that there is a complex relation between the sea state and the vertical transport mechanism. The sea state refers to whether the waves are short (and slow) or long (and fast). Short waves always travel in the direction of the wind, and their effect is a net momentum transfer downwards that ultimately slows down the wind while the waves grow. Long waves, on the other hand, commonly referred to as swell waves, can travel in any direction. If these long waves travel in the direction of the wind, they provide thrust to the wind while decaying. Conversely, if they travel counter to the direction of the wind, they slow down the wind while decaying. This complex relation between sea state and the energy transfer between the sea and air, raises the question of how atmospheric dispersion is affected by the interaction between the wind and the waves. In our literature review, we found only a limited number of references that address this topic. In these references we found the following: • Multiple references agree that swell waves travelling in the same direction as the wind lead to enhanced suspension of aerosols. This means that aerosols are transported upward, away from the surface, thus counteracting deposition and consequently leading to higher concentrations downstream of the source. • A single reference, in which numerical calculations were performed on a laboratory scale, showed that short waves lead to enhanced deposition of aerosols. Our main impression is, however, that there is a lack of literature on this topic. Recently, a class of flow models known as wall-modelled large eddy simulation models (LES) has been adopted to, and tested on, the flow over waves on operational scales. These models represent, in our opinion, the most promising candidate to investigate the effect of waves on dispersion of pollutants close to the sea surface.

I denne rapporten er vi opptatt av atmosfærisk spredning av mulige skadelige stoffer fra offshoreulykker, og vi ser på hva som finnes av forskningslitteratur som er relevant for å modellere dette. Den atmosfæriske spredningen er først og fremst styrt av vinden, som utviser kaotisk oppførsel på grunn av samspillet mellom storskala sirkulasjonsmønstre og overflateforhold. En operasjonell modell for spredningen trenger å være rask og enkel å bruke. Dette kan man oppnå ved å la være å beskrive vindforholdene for detaljert. Den såkalte Gauss-modellen er den mest kjente av slike modeller. Dersom vinden er jevn og dersom det er lite terrengvariasjon, kan slike modeller fungere godt. Men når vinden påvirkes av bygninger og topografi, eller dersom man står overfor transport over lange avstander, er disse enkle modellene nesten garantert å komme til kort. I slike tilfeller må vi heller ty til modeller som kan utnytte mer kompleks vind i form av turbulensmodeller eller numeriske værprediksjonsmodeller. Vind over hav har tradisjonelt blitt sett på som enklere enn vind over land, og havbølgene har blitt sett på som milde ruhetselementer som fører til lave turbulensnivåer. Selv om turbulensnivåer over hav er lave sammenlignet med over land, har forskning vist at det er en kompleks sammenheng mellom sjøtilstanden og den vertikale transportmekanismen. Sjøtilstanden handler om hvorvidt bølgene er korte (og sakte) eller lange (og raske). Korte bølger forplanter seg utelukkende i retning av vinden, og effekten av dem er en netto overføring av energi til bølgene, med den effekten at bølgene vokser mens vinden blir bremset. Lange bølger derimot, ofte referert til som dønninger, kan forplante seg i alle retninger. Hvis disse lange bølgene forplanter seg i vindens retning, vil de gi en netto skyvekraft til vinden samtidig som de sakte avtar i høyde. Dersom de derimot forplanter seg mot vinden, vil de bremse vinden. Denne komplekse sammenhengen mellom sjøtilstand og overføring av energi mellom hav og atmosfære, reiser spørsmålet om hvordan den atmosfæriske spredningen blir påvirket av samspillet mellom vind og bølger. I gjennomgangen vår fant vi bare en håndfull referanser som tar for seg dette emnet. I disse fant vi følgende: • Flere referanser er enige om at dønninger som forplanter seg i samme retning som vinden, fører til at aerosoler transporteres oppover, vekk fra overflaten. Dønninger motvirker altså avsetning på overflaten, noe som fører til høyere luftkonsentrasjoner nedstrøms for kilden. • Én av referansene, der forskeren hadde utført numeriske beregninger på laboratorieskala, viste at korte bølger fører til økt avsetning av aerosoler på overflaten. Hovedinntrykket er imidlertid at det er stor mangel på litteratur på dette emnet. Nylig har såkalte veggmodellerte LES modeller (LES, eng. for large eddy simulation) blitt tatt i bruk for og testet på vind over bølger på operativ skala, altså på domener som strekker seg over flere kilometer. Disse modellene representerer, etter vår mening, den mest lovende kandidaten til å undersøke effekten av bølger på spredning av utslipp nær havoverflaten.